DE3935252A1 - Brennkraftbetriebene bohrvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schlagbohrvorrichtung und insbesonde­ re ein Schlagbohrwerkzeug zum Bohren von unterirdischen Bohrlö­ chern.

Nach der Erfindung wird eine Schlagbohrvorrichtung mit einem Werkzeug zum Einbringen einer Bohrung in unterirdische Gesteins­ formationen bereitgestellt, die sich dadurch auszeichnet, daß ein Bohrwerkzeuggehäuse oder ein Bohrkronengehäuse an einem unteren Ende eines Bohrstrangs angebracht ist, eine Mehrzahl von Bohrstangen mit Stoßzähnen an ihren unteren Enden derart angeordnet ist, daß diese nach unten in Form von konzentrischen Reihen durch einzelne Bohrungen in einem unteren Ende des Gehäuses verlängert sind, daß konzentrische Reihen von Bohrstan­ gen vertikal bezüglich einander derart versetzt sind, daß wenigstens eine innere Reihe der Bohrstangen zu einer größeren Tiefe in die Gesteinsformation als die äußeren Reihen der Bohrstangen reicht und daß wenigstens eine äußere Reihe der Bohrstangen divergierend durch das untere Ende des Gehäuses verlaufen, wobei eine Bohrstangen-Antriebseinrichtung vorgesehen ist, die den jeweils konzentrischen Reihen von Bohrstangen eine Stoßkraft erteilt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer Bohrvorrichtung nach der Erfindung, die zum Erdbohren eingesetzt wird und in typischer Weise von der Bodenfläche der Vorrichtung aus gesteuert wird, wie dies schematisch angedeutet ist,

Fig. 2 eine Schnittansicht der Bohrvorrichtung nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 eine Detailschnittansicht zur Verdeutlichung einer Anordnung einer Mehrzahl von beweglichen Zahnanordnungen, die in Fig. 2 gezeigt sind,

Fig. 4 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 eine Ausschnittsansicht zur Verdeutlichung eines Teils der beiden konzentrischen Ventilteller, der Verbrennungskammern und der Kolben, die in Fig. 2 gezeigt sind und die zum Antreiben der beweglichen Zahnanordnungen dienen,

Fig. 6 eine Schnittansicht längs der Linie 6-6 in Fig. 2, wobei die Kraftstoffeinlaß- und -auslaß­ leitungen schematisch angedeutet sind,

Fig. 7 eine perspektivische Ausschnittsansicht eines Einlaßventils,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Einlaßventils nach Fig. 7 in Verbindung mit einem Teil einer der Verbrennungskammern und einer Nockenlaufbahn und

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Auslaßventils und einer Nockenlaufbahn.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 der Zeichnung wird eine bevorzugte Ausführungsform einer Bohrvorrichtung nach der Erfindung erörtert, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Sie ist in ihrer Arbeitsstellung dargestellt, in der sie ein Bohrloch B in eine unterirdische Gesteinsformation einbringt, wie dies beispielsweise beim Bohren für eine Gas- oder Ölquelle erforder­ lich ist. Diese Bohrvorrichtung 10 ist hängend an einem üblichen Bohrgestänge 12 angebracht. Das Bohrgestänge 12 ist rohrförmig ausgelegt und ermöglicht auf an sich bekannte Weise die Zirkula­ tion eines Bohrfluids durch einen hohlen Innenraum 14 und um eine Nabelschnur 16, die durch den hohlen Innenraum 14 des Bohrgestänges 12 nach unten geht. Die Nabelschnur kann mit mehreren Kammern ausgerüstet sein und kann derart ausgelegt sein, daß sie für das Turbo-Bohren und ähnliche Betriebsweisen geeignet ist, wozu sie eine Mehrzahl von elektrischen Kabeln und Förderleitungen haben kann, wie dies angedeutet ist und die sich von der Oberfläche nach unten zu der Bohrvorrichtung 10 erstrec­ ken. Typischerweise können die Steuereinrichtungen an der Ober­ fläche, die zum Betreiben der Vorrichtung erforderlich sind, zu Darstellungszwecken beispielsweise einen Kraftstoffbehälter 20 und eine Kraftstoffpumpe 22 mit einer Rheostatsteuerung 23 aufweisen, um Kraftstoff über eine Kraftstoffleitung 24 zu der Bohrvorrichtung zu pumpen. Ferner können eine geeignete elektri­ sche Stromquelle 26 und ein Rheostat 27 vorgesehen sein, die beide zum Betreiben eines Elektromotors M (siehe Fig. 5) dienen und die sequentiell die Zündkerzen S auf eine angegebene Weise zünden. Ferner ist ein Kompressor 25 vorgesehen, um Druckluft über die Leitung 29 den Brennkammern zuzuführen. Auch ist eine Abgasleitung 30 vorhanden, um die Abgase aus den Brennkammern abzuleiten.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, hat die Bohrvorrichtung 10 die Form einer Bohrkrone mit einem Zahngehäuse oder einem Körper 34 und einem oberen, mit Gewinde versehenen Ende oder einem Teil 32 für eine Gewindeverbindung mit dem unteren Ende des Bohrgestänges 12, und das hohle Innere 14 des Bohrgestänges ist durchgehend über die gesamte Länge des Körpers 34 hinweg vorgesehen, um eine Verbindung mit dem Bohrloch am unteren Austrittsende 14 herzu­ stellen.

Das Gehäuse oder der Körper 34 ist vorzugsweise ein massiver Block aus Stahl oder einem anderen widerstandsfähigen Material, der mit einer Reihe von Bohrungen 35 an seinem unteren Ende versehen ist, die derart angeordnet sind, daß die konzentrischen Reihen von beweglichen Bohrzähnen 36 aufgenommen werden können, die in die einzelnen Hülsen oder Laufbuchsen 37 in der jeweili­ gen Bohrung 35 eingesetzt sind. Bei der in Fig. 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind vier konzentrische Reihen von Zähnen 36 vorgesehen, die in Form einer inneren Reihe 40 ange­ ordnet sind, die eine Reihe von Zähnen 36 hat, die in Umfangs­ richtung in Abstand zueinander angeordnet sind und schräg verlaufen oder radial nach innen unter einem kleinen Neigungs­ winkel bezüglich der Mittelachse des Körpers 34 abgesetzt sind. Eine zweite Reihe 41 ist mit Zähnen versehen, die längs einzel­ nen Achsen parallel zu der Längsachse angeordnet sind. In der Reihe 42 sind die Zähne 46 so angeordnet, daß sie radial nach unten und in Richtung nach außen unter einem kleinen Neigungs­ winkel von der Längsachse des Körpers weg divergierend verlau­ fen, während eine äußere Reihe 43 der Zähne 36 und einem größe­ ren Winkel als jener der nächsten äußeren Reihe 42 fächerförmig nach außen verläuft. Aus Übersichtlichkeitsgründen, aber nicht zur Beschränkung, hat die innere Reihe 40 Zähne, die unter einem Winkel in der Größenordnung von 10° nach innen geneigt sind, während die äußeren Reihen 42 und 43 Zähne haben, die unter einem Winkel von jeweils 10° und 20° nach außen angeordnet sind. Ferner wird beispielsweise die Anzahl der Zähne in jeder Reihe aufeinanderfolgend in radialer Richtung nach außen ausgehend von der inneren Reihe 40 allmählich größer, so daß beispielsweise in der Reihe 40 eine Reihe von acht Zähnen, in der Reihe 41 eine Reihe von 16 Zähnen, in der Reihe 42 eine Reihe von 24 Zähnen und in der äußersten Reihe 43 eine Reihe von 32 Zähnen vorgese­ hen ist. Natürlich kann sich die Anzahl der Zähne in jeder Reihe entsprechend der Größe der Krone und der Art der Gesteinsforma­ tion ändern, indem ein Loch oder eine Bohrung eingebracht werden soll.

Das obere Ende des Körpers 34 hat eine äußere zylindrische Wand 44, die in einem oberen, reduzierten Ende 45 endet, das mit einem Sockelende 46 des Teils 32 über Lochschrauben 47 verbunden ist. Eine innere zylindrische Wand 48 des Körpers ist in dicht­ endem Eingriff mit der unteren Fläche 38 des Teils 32, wie dies mit 49 gezeigt ist. Eine Mehrzahl von konzentrischen Ringen 50, 51 und 52 ist in regelmäßigen Abständen ausgehend von der inneren Wand 45 nach außen zu der äußeren Wand 44 in fortschrei­ tender Richtung angeordnet, welche ringförmige Brennkammern bilden, um die Arbeitskolben 54 für jeden der Ringe der bewegli­ chen Bohrzähne 36 aufzunehmen. Es ist noch zu erwähnen, daß die äußere Wand 44 in zwei Abschnitte mit einem oberen Abschnitt 44′, der mit dem unteren Abschnitt 44′′ über Lochschrauben 55 verbunden ist, und einen unteren Abschnitt 4′ unterteilt, der eine nach außen divergierend verlaufende Verlängerung oder einen vorspringenden Rand 56 an seinem unteren Ende hat, der ein Teil der Wand bildet, die die äußerste Reihe von Bohrungen 43 umgibt. Die innere Wand 48 ist in ähnlicher Weise in einen oberen Abschnitt 48′ und einen unteren Abschnitt 49′ unterteilt, die dicht Ende an Ende aneinanderstoßend bei 58 miteinander verbun­ den sind, und das untere Ende der Wand 49′ ist konisch ausgebil­ det, um einen Teil des Gehäuses für die zu innerst liegende Reihe von Bohrungen 40 zu bilden.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 und die Auslegung und die Anordnung jedes, beweglichen Bohrzahns 36 hat einen Zahnschaft 36 mit einer im allgemeinen zylindrischen Form eine untere geneigte Endfläche 61, an der eine Zahnplatte 62 fest angebracht ist. Die Platte 62 ist aus Wolframcarbid oder einem anderen verschleißfesten Material hergestellt, und sie kann entfernt und ausgetauscht werden, wenn sie verschlissen oder gebrochen ist. Die Platte kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Formen und Größen haben, obgleich sie vorzugsweise eine im allgemeinen elliptische Gestalt hat, so daß sie sich an die geneigte Fläche des unteren Endes 61 anpassen kann und daß sie bezüglich der Auslegung oder Zusammensetzung im Hinblick auf die Härte oder die Dubtilität des durchzustoßenden Materials variiert werden kann. Der Schaft 60 hat diametral gegenüberliegende Zahnführun­ gen 64, die in radialen Nuten oder in Längsschlitzen 65 in der Zahnhülse 37 laufen, so daß jeder Zahn an einer Drehbewegung gehindert wird und es ermöglicht wird, daß der Zahn in der gewünschten Orientierung ausgerichtet werden kann. Auch begren­ zen die Führungen den nach unten gerichteten Hub des Zahns durch die Schulter 65′ am unteren Ende der Nuten oder Längsschlitze 65.

Eine Rückholfeder 66 ist auf dem Zahnschaft 60 zwischen einem oberen Halteflansch 68 und einer Schulter 6 angebracht, und sie ist unter Kompression derart vorgesehen, daß sie im Grundzustand den Zahn in eine Richtung drückt, in der er in Richtung nach oben zu dem Arbeitskolben bzw. Beaufschlagungskolben 72 einge­ fahren ist. Ein Paar Dichtungen 70 ist am unteren Ende des Gehäuses oder der Hülse 37 für jeden Zahn angeordnet. Am oberen Ende jedes Zahnschaftes 60 ist eine abnehmbare Stoß- bzw. Schlagplatte 67 aus einem Material angeordnet, das ähnliche Eigenschaften wie das Material hat, das für die Zahnplatte 62 verwendet wird, und die Stoßplatte 67 ist unter einem Winkel bezüglich des Zahnschafts derart angeordnet, daß dieser in axialer Verlängerung zu dem unteren Ende des Arbeitskolbens 54 ausgerichtet ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 5 ist eine brennkraftbetrie­ bene Antriebseinrichtung an dem oberen Ende des Körpers 34 vorgesehen und weist Brennkammern in Form von konzentrischen, ringförmigen oder ringähnlichen Bereichen 50, 51, 52 auf, die oberhalb der Reihen 40 bis 43 der Zahnbohrkrone ausgerichtet vorgesehen sind. Jeder Kolben 54 ist in Form eines im allgemei­ nen ringähnlichen Teils ausgelegt, das in dem jeweils zugeord­ neten Kammerbereich 50 bis 52 angeordnet ist und das bei der Zündung auf einen einzigen Ring oder Teil des Rings des bewegli­ chen Bohrzahns 36 stößt. In einer nachstehend nun näher be­ schriebenen Weise können die einzelnen Kolben 54 so häufig wie erforderlich aktiviert bzw. gezündet werden, um die optimale Leistung zum Antreiben der Zähne 36 zu erhalten und die Zündung der Kolben 54 bzw. die Aktivierung derselben kann in Abhängig­ keit von den Eigenschaften des zu durchstoßenden Materials verzögert oder beschleunigt werden. Wesentlich ist jedoch, daß die Kolben 54 und ihre zugeordneten Aktivierungseinrichtungen, welche noch nachstehend beschrieben werden, sequentiell ausge­ hend von dem inneren Kreis 40 nach außen zu dem äußersten Kreis 43 aufeinanderfolgend gezündet bzw. aktiviert werden, so daß die Bohrzähne 36 sequentiell ausgehend von der Mitte zur Außenseite der Öffnung angetrieben und eingetrieben werden. Hierdurch werden die abgeplatzten Teile des zu durchstoßenden Materials in den Raum vorgeschoben, der durch die Abtragwirkung der Zähne des nächstinnenliegenden, benachbarten Rings entleert wird. Insbe­ sondere hat sich gezeigt, daß die von innen nach außen gerichte­ te Abtragwirkung zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und der Bearbeitungsgeschwindigkeit beiträgt, mit welchen die Materiali­ en durchstoßen werden können. Ferner läßt sich die Schlag- bzw. Stoßkraft entsprechend der Kraftstoffmenge oder der Menge des eingespeisten Kraftstoff/Luft-Gemisches variieren, um eine genaue Steuerung der Einbringungsrate in die Materialien mit unterschiedlicher Härte zu ermöglichen. Wiederum bezugnehmend auf die Fig. 2, 3 und 5 ist jeder Kolbenstoßblock 72 Ende an Ende aneinanderstoßend zu dem unteren Ende des Kolbens 54 ausge­ richtet, und die Stoßplatten 73 und 74 sind lösbar an den gegenüberliegenden Endflächen des Kolbens 54 und des Stoßblocks 72 jeweils angebracht. Jeder Kolben 54 kann jeweils unterschied­ liche Formen annehmen, und wie in Fig. 5 gezeigt ist, umfaßt er einen oberen Körperabschnitt 75 mit axial im Abstand angeordne­ ten Dichtringen 76, 77, die sich um die inneren und äußeren Seitenflächen zur Bildung einer Abdichtung bezüglich der Wand des Zylinders erstrecken. Ein oberer Körperabschnitt 75 verläuft über einen im Querschnitt schmal bemessenen Zwischenabschnitt 78 konisch nach unten und endet in einem erweiterten unteren Körperabschnitt 79, wobei die Stoßplatte 73 lösbar am dem unteren Ende des Körperabschnitts 79 angebracht ist. Entspre­ chende Dichtringe 76, 77 sind axial im Abstand bezüglich einan­ der zwischen dem unteren Körper 79 und den Wandflächen des Zylinders angeordnet. Jeder Kolbenstoßblock 72 ist ringförmig ausgestaltet und derart angeordnet, daß er von dem Kolben 54 nach unten verläuft, um in einer unteren Stoßplatte 80 zu enden, die den oberen Stoßplatten 67 jeder Zahnanordnung gegenüber­ liegt.

Das obere Ende jeder Brennkammer ist durch eine Zylinderwand 82 abgeschlossen. Hier sind mehrere Kraftstoffeinspritzventile 84 und Auslaßventile 86 angeordnet, die jeweils in den konzentri­ schen Ringen oder Reihen von Kammern 50 bis 52 vorgesehen sind. Jedes Einspritzventil 84 umfaßt einen Ventilschaft 88, der mit einem erweiterten Ventilteil 89 versehen ist, das in Richtung auf einen Ventilsitz 90 zu und von diesem weg bewegbar ist. Das Ventilteil hat eine konische Fläche 89′ entsprechend dem Ventil­ sitz und ist zwischen einer Offenstellung, die in Fig. 5 gezeigt ist, und einer Schließstellung bewegbar, in der es gegen den Sitz 90 anliegt. Ein gekrümmtes Blattfederteil 81 geht durch den Ventilschaft und ist nach unten unter Bildung eines Preßsitzes in Verbindung mit den Nuten 91 in der oberen Fläche der Zylin­ derwand 82 gekrümmt, um im Grundzustand das Ventil nach oben in eine Richtung zu drücken, in der es in Schließstellung ist. Das obere Ende des Ventilschafts 88 liegt gegen eine Ventilsteuer­ nocke 85 in Form einer nach unten vorspringenden Rippe auf einem Ring oder einem ringförmigen Nockenteil 92 an, und eine nach oben ragende Getriebeverzahnung 93 ist im Kämmeingriff mit den Zähnen auf einem Zahnrand 94. Eine Zündkerze S ist in der Zylinderwand 82 in der Nähe des jeweiligen Einspritzventils vorgesehen und elektrisch mit einem Kontaktblock 98 verbunden, der in einem Abstand unterhalb des Kontaktblocks 99 vorgesehen ist, der elektrisch über eine Leitung 100 mit der Stromquelle 26 verbunden ist. Ein weiterer Kontaktblock 102 auf der Oberfläche des Ventiltellers schließt die Schaltung zwischen den Kontakt­ blöcken 99 und 98, wenn die Nocke 92 auf die nachstehend näher beschriebene Weise derart gedreht wird, daß ein Zündfunke in der Brennkammer unmittelbar unterhalb des Ventilteils 89 erzeugt wird. Kraftstoff bzw. Brennstoff wird in jede Kammer über eine Brennstoffeinspritzöffnung 104 eingespritzt, die über eine Brennstoffleitung 24 in Verbindung mit der Brennstoffpumpe 22 auf der Oberfläche ist. Wie in den Fig. 2 und 8 gezeigt ist, verläuft die Kraftstoffeinspritzöffnung 104 für die innere, konzentrische Kammer radial durch die zylindrische Wand 80 und steht in Verbindung mit dem Sitz 90. Zusätzliche Kraftstoffein­ spritzöffnungen oder -leiten weisen radial durch die Brennkam­ mern und die konzentrischen Ringe 50, 51 und 52 zu den jeweili­ gen konzentrisch vorgesehenen Ventilen 84 nach außen, wie dies schematisch in Fig. 6 gezeigt ist.

Obgleich das Auslaßventil 86 in nebeneinanderliegender Zuordnung zu einem Einspritzventil 84 in den benachbarten Brennkammern in Fig. 5 vorgesehen ist, läßt sich ferner Fig. 6 entnehmen, daß die Auslaßventile 86 sich mit Einspritzventilen 84 in jeder Reihe abwechseln. Die Ventile 86 sind in einem Abstand derart angeordnet, daß bei der Zündung des Kraftstoffs in der Kammer die Auslaßventile 86 mittels eines Antriebszahnrades 94 in eine Offenstellung vorgeschoben werden, um die Verbrennungsgase über die Öffnungen 87 in die Leitung 30 nach jedem Zündzyklus auszu­ leiten, und anschließend werden die Auslaßventile in eine Schließstellung zurückgebracht, so daß ein nächster Zünd- oder Verbrennungsvorgang ablaufen kann. Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, ist jedes Auslaßventil 86 im allgemeinen "Y"-förmig gestal­ tet und hat obere, gegabelte Enden 106 und ein unteres Ventil­ teil 108, das eine konische Fläche hat, die im Grundzustand gegen den Ventilsitz 109 in der Zylinderwand 80 gedrückt wird. Eine gekrümmt ausgebildete Blattfeder 110 ist bei dem Auslaßven­ til auf die gleiche Weise wie die Blattfeder 81 bei dem Ein­ spritzventil angeordnet und bewirkt, daß der Ventilschaft im Grundzustand in Ventilschließrichtung gedrückt wird, so daß das Ventil 108 mit dem Sitz 109 zusammenarbeitet. Eine Nockentrommel 92 umfaßt nach unten vorspringende Rippen oder Nocken 112 und 113, die radial im Abstand zueinander vorgesehen sind, wie dies am besten aus Fig. 9 zu ersehen ist. Die Rippen 112, 113 verlau­ fen in eine Umfangsrichtung derart geneigt, daß sie rampenförmi­ ge Teile mit allmählich größer werdender Tiefe bilden, wodurch bewirkt wird, daß das Auslaßventil 86 allmählich in eine Offen­ stellung bewegt und dann allmählich in eine Schließstellung während oder nach der jeweiligen Zündfolge zurückgebracht wird. Ahnlich wie in Fig. 8 gezeigt ist ist die einzige Rippe oder Nocke 85 ein rampenförmiges Teil mit einer im allgemeinen größer werdenden Tiefe, das mittig zu dem Ring 92 angeordnet ist und, wenn der Ring 92 mittels des Antriebszahnrades 94 gedreht wird, wird dieser so bewegt, daß er mit einem Einspritzventilschaft 84 zusammenarbeitet, um die Druckkraft der Blattfeder 81 zu über­ winden und das Ventil zu öffnen, so daß Kraftstoff über die Kraftstoffleitung 24 vor der jeweiligen Zündfolge eingeleitet wird. Das Ventil kehrt dann in die Schließstellung während jedes Zündzyklus unter der Druckkraft der Blattfeder 81 zurück. Die Auslaßleitung 30 gestattet das Abführen der verbrauchten Gase, wenn sie durch ein Auslaßventil 86 an dem Ende jeder Zündfolge freigelegt wird. Insbesondere verlaufen Auslaßöffnungen 87 radial von der Auslaßleitung über die Brennkammern nach außen, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, und sind durch eine Zylinderwand 82 verlängert, so daß eine Verbindung mit einem Ventilsitz 109 hergestellt wird. Lager 115 sind zwischen den Seiten der Ventil­ ringe 92 und den Zylinderwänden angeordnet. Vorzugsweise wird das Antriebszahnrad 94 durch einen elektrischen Turbomotor M angetrieben, der über die elektrischen Leitungen 100 von der Stromquelle 26 aus versorgt wird.

Beim Arbeiten zirkuliert Bohrfluid auf übliche Weise durch die Bohrung 14 und das untere Ende 14′ längs der Schneidfläche. Das Bohrfluid dient auf an sich bekannte Weise als ein Kühlmittel sowie dazu, das Umwälzen und das Abführen der abgeplatzten Teile von dem Abtragsort nach oben zu einem gesonderten Sammelraum oder einem Sammelbecken an der Oberfläche zu unterstützen.

Druckluft wird von dem Kompressor 28 über die Umwälzleitung 29 und in die Brennkammern über die Öffnungen 104 eingespeist. Kraftstoff wird über die Leitungen 24 von dem Kraftstoffbehälter 20 über die Kraftstoffeinspritzöffnungen 104 in die jeweiligen Brennkammern eingespritzt. Die Rheostatsteuerung 27 arbeitet, um den Tieflochbohrmotor N zum Antreiben der Nockentrommeln 92 mit einer vorbestimmten Drehzahl zu regulieren. Wenn die Nockentrom­ meln sich drehen, schließt der Kontaktblock 102 die Schaltung zwischen den äußeren Kontaktblöcken 98 und 99, wodurch ein Funken erzeugt wird, mittels dem jeweils die Zündung in der jeweiligen Kammer erfolgt. Das Einspritzventil 84 wird vor der Zündung niedergedrückt, um Kraftstoff in die Kammer einzusprit­ zen. Wenn die Nockentrommel 92 sich weiterdreht, wird bewirkt, daß das Ventil 84 in seine Schließstellung zurückbewegt wird, und es wird ein elektrischer Kontakt zur Zündung des Kraftstoff/ Luftgemisches hergestellt. Wenn dies gezündet wird, treibt der in der Brennkammer aufgebaute Druck jeden Kolben 78 aufeinander­ folgend gegen die Stoßblöcke 54 nach unten, so daß der oberen Stoßplatte 71 an jeder Zahnbohrkrone in dem Kreis eine Treib­ kraft erteilt wird. Die Zündfrequenz wird durch die Drehzahl der Nockentrommeln 92 bei eingeschaltetem Motor M gesteuert, und die Hubleistung wird größtenteils durch den Kraftstoffeinspritzdruck reguliert, der durch die Kraftstoffpumpe 22 bestimmt ist.

Infolge der Zündfolge werden die Nockentrommeln 92 soweit bewegt, daß sie mit den Auslaßventilen 86 zusammenarbeiten, um die Ventile niederzudrücken oder zu öffnen, so daß die Abgase entsprechend der voranstehenden Beschreibung ausgeleitet werden können. Wenn in der jeweiligen Kammer eine Zündung erfolgt und sich die Nockentrommel 92 dreht, bewegen sich die Rippen 112 und 113 auf der Nockenscheibe 92 zu einer solchen Position, daß das Auslaßventil 86 geöffnet wird. Gleichzeitig führen Zahnfedern 66 die mit einer Stoßkraft beaufschlagten Zähne 62 in ihre Aus­ gangsstellungen zurück, wodurch die Kolben in Richtung nach oben in die Zündstellung gedrückt werden, so daß die Abgase über das offene Auslaßventil 86 ausgetrieben werden. Die Zündfolge ist derart gewählt, daß das Bohren und das Schneiden fortschreitend ausgehend von der inneren Reihe in Richtung nach außen zu der zu äußerst liegenden Reihe durchgeführt wird, so daß jede aufeinan­ derfolgende Reihe einen Arbeitshub ausführen und eine Stoßbeauf­ schlagung über die Zähne vornehmen kann. Diese sequentielle Zündung bzw. Aktivierung läßt sich durch eine entsprechende Anordnung von Kontaktstellen 98, 99 und 100 an den Zylinderwän­ den und den Nockentrommeln wie dargestellt auf einfache Weise verwirklichen.

Wie angegeben ist, hat jeder Zahnschaft 60 eine im allgemeinen kreisförmige Gestalt, obgleich der Schaft auch oval oder ander­ weitig gestaltet werden kann, vorausgesetzt, daß eine Dichtung möglich ist, um das Eindringen von Bohrfluid und Abraum in die einzelnen Führungen für die Zahnbohrkrone zu verhindern. Es sollte noch erwähnt werden, daß die fächerförmige Anordnung der Zähne in den Zahngehäusen derart getroffen ist, daß die inneren Reihen progressiv niedriger als die äußeren Reihen liegen, so daß das gesamte Bohrwerkzeuggehäuse 34 eine im allgemeinen konvexe Gestalt in Bodenrichtung gesehen hat. Bei der darge­ stellten bevorzugten Ausführungsform, die in Fig. 6 gezeigt ist, umfaßt die Anzahl von Einspritz/Auslaßventilen jeweils zwei für jedes Kolbensegment. Der innere Kammerring kann ein durchgehen­ der Ring sein, und der nächste Ring kann zwei halbkreisförmige Kammern umfassen. Der nächst äußere konzentrische Ring kann drei Kammern umfassen, und der nächste und die darauffolgenden Ringe können drei Kammerabschnitte umfassen. Die Anzahl der gesonder­ ten, aktivierbaren Kammern hängt im allgemeinen von der Härte oder der Dubtilität des zu durchstoßenden Materials ab, und in einigen Fällen kann eine einzige Kammer in jedem Ring oder Kreisring in Abhängigkeit von der Härte des Materials vorgesehen sein. Ferner ist zu ersehen, daß die Anzahl der Zähne in einem gegebenen Gehäuse verändert werden kann und daß auch die jewei­ lige Winkelanordnung der Zähne 62 variiert werden kann. Die Rückholfedern 66 der vorstehend beschriebenen Art üben eine ausreichende Kraft auf, um die Zähne am Ende jeder Zündfolge bzw. jedes Zündvorganges zurückzuziehen, obgleich natürlich auch Druckluft als Unterstützung für die Rückholfedern eingesetzt werden kann. Zum Zwecke der Darstellung kann jeder Zahnring alle 4 s aktiviert werden, wobei die Drehzahl jedes Ringes in der Größenordnung von ein bis zwei Umdrehungen pro min liegt. Die Eindringungsrate läßt sich durch eine schnellere Drehung erhö­ hen, aber die Haupteinflußgröße ist die Hubgröße.

Claims (8)

1. Schlagbohrvorrichtung zum Bohren in unterirdische Gesteins­ formationen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bohrwerkzeug­ gehäuse (34) in einem unteren Ende eines Bohrgestänges (12) angebracht ist, eine Mehrzahl von Bohrstangen (60), die an ihren jeweiligen unteren Enden Stoßzähne (36) haben, in einer nach unten weisenden Verlängerung in Form von konzentrischen Reihen durch einzelne Bohrungen (35) in einem unteren Ende des Gehäuses (34) angeordnet sind, die konzentrischen Reihen der Bohrstangen (60) vertikal bezüglich einander derart versetzt sind, daß wenigstens eine innere Reihe (40) der Bohrstangen (60) zu einer größeren Tiefe in der Gesteinsformation als die äußeren Reihen (42, 43) der Bohrstangen (60) reichen und daß wenigstens eine äußere Reihe (43) der Bohrstangen (60) divergierend durch das untere Ende des Gehäuses (34) und die Bohrstangenantriebseinrichtungen zur Beaufschlagung jeder konzentrischen Reihe von Bohrstangen (60) mit einer Stoßkraft verläuft.

2. Schlagbohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die konzentrischen Reihen der Bohrstangen (60) unter unterschiedlich gewählten Auftreffwinkeln nach unten verlaufen.

3. Schlagbohrvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere, konzentrische Reihe (40) der Bohrstangen (60) in Richtung zu einer Mittelachse des Bohrwerkzeuggehäuses (34) nach unten konvergierend verläuft, und daß die äußeren konzentrischen Reihen (42, 43) der Bohrstangen (60) von der Mittelachse des Bohrwerk­ zeuggehäuses (34) weg nach unten und außen divergierend verlaufen.

4. Schlagbohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Stoßblöcke (67) oberhalb jeder Bohrstange (60) angeordnet sind, und daß Kolbenteile (54) oberhalb der Stoßblöcke (64) angebracht sind, um jede Bohrstange (60) mit einer nach unten gerichteten Stoßkraft zu beaufschlagen.

5. Schlagbohrvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Antriebseinrichtung ringförmige Brennkammern (50, 51, 52, 53) jeweils den konzentrischen Reihen (40, 41, 42, 43) der Bohrstangen (60) zugeordnet sind, aufweist, die Kolbenteile (54) und die zugeordneten Stoßblöcke (67) an einer nach unten weisenden Verlängerung von den jeweiligen Brennkammern (50, 51, 52, 53) angebracht sind, die Antriebseinrichtung eine Einrichtung (104) zum Einleiten eines zündfähigen Brennstoffgemisches in die jeweiligen Brennkammern (50, 51, 52, 53) und eine Zündeinrichtung (S) zum Zünden des Brennergemisches nach seiner jeweiligen Einleitung umfaßt.

6. Schlagbohrvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß jede Kammer (50, 51, 52, 53) wenigstens ein Brennstoffeinspritzventil (84) und ein Auslaßventil (86), eine Steuereinrichtung (92) zum sequentiellen Öffnen und Schließen der jeweiligen Einlaß- und Auslaßventile (84, 86) in jeder Kammer (50, 51, 52, 53) und Zündeinrichtungen (98, 99, 102) umfaßt, die dem Öffnen der Einlaßventile (84) so zugeordnet sind, daß die Zündeinrichtung (S), die dem jeweiligen Einlaßventil (84) zugeordnet ist, in Koordina­ tion mit der Öffnung jedes Einlaßventiles (84) aktiviert wird, um sequentiell fortschreitend die Bohrstangen (60) nach unten in die unterirdischen Gesteinsformationen in Abhängigkeit von der Aktivierung der Zündeinrichtung (S) zu treiben.

7. Schlagbohrvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes Einlaß- und Auslaßventil (84, 86) einen nach oben weisenden Ventilschaft (88) und ein ringförmiges Nockenteil (92) aufweist, das drehbar oberhalb der jeweiligen Brennkammern (50, 51, 52, 53) angeordnet ist, und jedes Nockenteil (92) nach unten weisende Nocken (85, 112, 113) hat, die mit den Einlaß- und Auslaßventilteilen (84, 86) zusammenarbeiten, um das Öffnen der Ventilteile (84, 86) zur Zündung und Ausleitung des Brenngemisches aus jeder Brennkammer (50, 51, 52, 53) aufeinanderfolgend zu steuern.

8. Schlagbohrvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Nocken (85, 112, 113) auf jedem Nockenteil (92) derart angeordnet sind, daß sukzessiv die Einlaßven­ tile (84) während jedes Zündzyklus fortschreitend in radial nach außen gerichteter Richtung ausgehend von einer inneren Reihe (50) zu einer äußeren Reihe (53) aktiviert werden, wodurch bewirkt wird, daß die Stoßzähne (36) in die Gesteinsformation in Richtung radial nach außen eindringen, während das Bohrgestänge (12) gedreht wird.